ДонНТУ   Портал магістрів

Андрющенко Ольга Едуардівна

Факультет комп'ютерних наук та технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Спеціальність Комп'ютерні системи та мережі

MIMD-симулятор мережевого динамічного об’єкта з розподіленими параметрами

Науковий керівник: д.т.н., проф. Святний Володимир Андрійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Мета та задачі магістерської роботи
• 2. Огляд розробок у галузі паралельного моделювання
• 3. Визначення та структура розподіленого паралельного моделюючого середовища(РПМС)
• 4. МІМD компонента РПМС
• 5. Мережевий динамічний об'єкт з розподіленими параметрами як об'єкт моделювання
• 6. Етапи розробки та застосування паралельних симуляторів
• Перелік посилань

Вступ

Необхідність розв’язання складних завдань, що характеризується великими обсягами обчислень, з одного боку, та принципова обмеженість швидкодії традиційної обчислювальної техніки з фон неймановською архітектурою з іншого боку, спричинила появу та розвиток нових апаратних засобів і відповідного програмного забезпечення. Істотне прискорення процесів розв’язання задач забезпечило появу нових апаратних модулів-каналів або контролерів пристроїв і, як наслідок, багатопроцесорних машин.

З активним розвитком обчислювальної техніки все більш популярним стає комп’ютерне моделювання, яке може бути здійснено в умовах, коли реальні експерименти неможливі з фінансових або фізичних перешкод. Об’єктам моделювання внутрішньо присутня складність, яка переноситься на комп’ютерну модель. Отже, цілком доцільне використання для вирішення задач паралельних обчислювальних систем [1].

Досвід розробки й реалізації паралельних моделей складних динамічних систем показує, що ефективне застосування паралельних обчислювальних систем вимагає рішення завдань системної організації роботи засобів моделювання. Роботи в цьому напрямку ведуться інститутами кібернетики й проблем моделювання в енергетиці НАН України, ДонНТУ, закордонними університетами й фірмами. Новою формою системної організації засобів моделювання є розподілене паралельне моделююче середовище.

Інтенсивно розвиваються теорія та методика побудови паралельних моделей та симуляторів складних динамі чних систем з зосередженими та розподіленими параметрами в рамках розподіленого паралельного моделюючого середовища.

В останні роки, під час переходу до паралельного виконання основних та допоміжних процесів в обчислювальних системах, пошуки привели до появи на комп’ютерному ринку ряду паралельних обчислювальних систем MIMD- та SIMD- структур. За оцінками експертів, в найближчий час ці паралельні системи стануть основною силою на верхніх сходинах ієрархії обчислювальних мереж [2].

Отже, необхідно зазначити, враховуючи все вище вказане, що у теперішній час розробка MIMD - симулятора мережевого динамічного об’єкта с розподіленими параметрами є цілком доцільною та актуальною темою, яка відкриває можливості в розширенні досвіду розробки й реалізації паралельних моделей складних динамічних систем.

1. Мета та задачі магістерської роботи

Метою роботи є дослідження, розробка та реалізація апаратно-програмна системної організацію, яка ефективно реалізує зручну для застосування засобів моделювання модель складної динамічної системи з розподіленими параметрами.

У рамках магістерської роботи необхідно вирішити наступні задачі:

1. Проаналізувати роботи, які ведуться в напрямку розподілених паралельних моделюючих середовищ (РПМС) та симуляторів мережевих динамічних об’єктів.
2. Дати визначення моделі та симулятора мережевого динамічного об’єкту (МДО).
3. Визначити етапи розробки симуляторів мережевих динамічних об’єктів.
4. Зробити апріорний аналіз підходів до розпаралелювання МДО.
5. Розробити MIMD - симулятор.
6. Виконати аналіз ефективності підходів до візуалізації та девіртуалізаціїї.

2. Огляд розробок у галузі паралельного моделювання

Основну концепцію РПМС для складних динамічних систем було запропоновано у 1992 році в рамках наукового співробітництва факультету ОТІ (нині КНТ) Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) та Інституту паралельних і розподілених систем (IPVS) Штуттгартського університету (Німеччина). Ця концепція була більш деталізовано викладена в доповіді на ASIM-симпозіумі в 1994 році і була далі розвинута в роботах, таких наукових діячів, як Анопрієнко А.Я., Фельдман Л.П., Святний В.А., Braunl T., Ройтер А. М. Zeitz та інших [3-10]. Дослідні зразки РПМС будувались на основі теледоступу до паралельних ресурсів Штуттгартського університету. За цей період набуто практичний досвід реалізації паралельних моделей.

Інтенсивний розвиток паралельних обчислювальних систем MIMD-архітектури, об’єктно-орієнтованих підходів стимулював стандартизацію засобів паралельного та розподіленого програмування. Так, ANSI та ISO визначили С++-стандарти з бібліотеками MPI, PVM.

Даною проблематикою займалися також Молдованова О.В., Солонін А.М., Надеев Д.В.. В їхніх роботах розкриваються особливості паралельниних моделюючих середовищ.

Розробками в цьому напрямку також займалися магістри ДонНТУ: Шило А.В., Навоєв А.С., Меренков А.В., Войтов А.В., Войтенко А.В., Степанов І.С., Скворцов П.В., Назаренко К.С., Зима К.М..

3. Визначення та структура розподіленого паралельного моделюючого середовища(РПМС)

Динамічними системами (ДС) називаються об'єкти техніки і технологій, в яких відбуваються цілеспрямовані керовані процеси зміни станів, характерні зміною фізичних параметрів у часі [3]. За характером зміни процесів динамічні системи діляться на системи з зосередженими (ДСЗП) та системи з розподіленими в просторі (ДСРП) параметрами .

До мережних динамічних об'єктів з розподіленими параметрами (МДОРП) відносяться: технологічні установки і апарати; мережі трубопроводів, технологічні схеми і об'єднуючі установки і апарати з виробництва різних продуктів і речовин; технічні мережі (електричні, гідравлічні, пневматичні, аеродинамічні, газодинамічні); еколого-технічні об'єкти, електростанції і термодинамічні установки в енергетиці [4].

Розподілені паралельні моделюючі середовища (РПМС) – це сукупність дружньої до користувача моделюючої технічної апаратної системи, системного програмного забезпечення для даної архітектури, спеціально розробленого програмного забезпечення для моделювання, симуляції та технічної підтримки підсистем. РПМС підтримує всі стадії паралельного моделювання та імітації роботи динамічних систем згідно всім можливим вимогам. Концептуальна структура РПМС наведена на рисунку 3.1. [5].

РПМС можна декомпозувати на десять основних підсистем (наведено на рисунку 3.2) [6,7]:

- Підсистема топологічного аналізу. Вербальне та графічне представлення, відповідне кодуванню вихідних топологій – технологічні схеми, структури системи автоматизації, динамічні мережеві об'єкти. Декомпозиція та апроксимація отриманих вторинних топологій. Формування пов'язаних з топологіями векторів і матриць. Перетворення топологічних даних у форму, придатну для генерування рівнянь і видача результатів топологічного аналізу.

- Підсистема генерування рівнянь. Комунікація з підсистемою топологічного аналізу, представлення вихідних рівнянь у векторно-матричній формі. Генерування дискретних моделей симулювання для вирішення засобами, якими володіє середа. Перетворення апроксимованих рівнянь у векторно-матричну форму, генерування дискретних симуляційних моделей для заданого чисельного методу.

- Підсистема віртуальних паралельних симуляційних моделей. Відповідає за інтерактивне уявлення ієрархії віртуальних паралельних моделей в залежності від можливих підходів до розпаралелювання. Складання топологій за допомогою засобів підсистеми топологічного аналізу. Формування рівнянь по рівням за допомогою підсистеми генерування рівнянь. Апріорний аналіз усіх рівнів. Інтерактивне уявлення в розпорядження інших підсистем.

- Підсистема паралельного рішення рівнянь. Взаємодія з підсистемами топологічного аналізу та підсистемою віртуальних паралельних моделей. Підсистема виконує рішення систем рівнянь за допомогою паралельних бібліотек.

- Підсистема балансування навантаження. Здійснюється порівняльний аналіз підходів розпаралелювання за критеріями розподілу навантаження.

- Підсистема обміну даними. Виконання обмін даними по запиту від компонент, а також відображення потоків даних за запитом користувача.

- Підсистема візуалізації. Виконується підготовка та структурування результатів моделювання до двовимірному або тривимірному виду відображення. Складання графіків під час і після проведення експериментів.

- Підсистема баз даних. Взаємодія з усіма підсистемами та зберігання даних про програмно-апаратне РПМС, дані про користувачів, вихідні та перетворені дані моделювання складних динамічних систем усіх топологій, дані про експерименти та виконує архівацію результатів.

- Підсистема діалогу. Призначена для презентації РПМС. Підсистема здійснює діалог користувача та системи, а також взаємодіє з усіма ресурсами середовища.

- Підсистема IT-підтримки. Займається організацією режимів роботи розподілених обчислювальних, комунікаційних та моделюючих ресурсів на основі сучасних мереж.

4. МІМD компонента РПМС

MIMD-паралельне моделююче програмне забезпечення розвивається згідно з концепцією РПМС. Інтенсивно розвиваються теорія та методика побудови паралельних моделей і симуляторів складних ДСЗП, ДСРП в рамках РПМС.

Необхідно підкреслити наступні терміни зв’язані з зазначеною тематикою [8,9]:

- Моделлю складної динамічної систем називається її формальний опис, що містить формалізоване топологічне представлення та системи рівнянь фізичних процесів складної динамічної системи (СДС), що об'єднує їх за допомогою векторно-матричних виразів і операцій.

- Модель СДС з розподіленими параметрами у вигляді, зручному для застосування засобів моделювання (Simulation Model) - це дискретизована по просторовій координаті та розв’язана відносно векторів похідних змінних, які необхідно знайти, модель. Засобами моделювання можуть бути чисельні методи рішення рівнянь, а також мови моделювання.

- Симулятором (Simulator) складної динамічної системи називається апаратно-програмна системна організація, яка ефективно реалізує Simulation Model на деякій апаратній платформі.

Склад моделюючого програмного забезпечення МІМD – компоненти РПСМ для ДСРП наведено на рисунку 4.1. [7]. Підсистема діалогу (ПД) є сукупністю програмних, апаратних, мовних, візуальних засобів , яка забезпечує взаємодію користувача та системи. ПД складають з системної та модельно-орієнтованої частин. В MIMD-компоненті РПМС передбачені паралельні блоково-, рівняння- та об'єктно-орієнтовані мови моделювання ДСРП. Незалежно від типу мови компілятор виконує перетворення специфікації моделі в функціонуючу паралельну програму та формує запит на MIMD-ресурс для реалізації моделі. На основі мови специфікації моделей може бути виконана інтерактивна побудова ДСРП- моделей з використанням бібліотечних конструктивів.

5. Мережевий динамічний об'єкт з розподіленими параметрами як об'єкт моделювання

Під мережевим динамічним об'єктом розуміється сукупність елементів, пов'язаних між собою фізичними вузлами, через які здійснюються цілеспрямовані розподіли потоків (електричний струм, потоки рідини, газу та інші.). Мережеві об'єкти поширені в різних областях техніки як клас об'єктів дослідження, проектування та управління. Реальні мережі мають велику кількість елементів, сильну взаємозв'язок керованих змінних, нелінійність і розподіленість параметрів. Як приклади можуть виступати електричні, вентиляційні, гідравлічні мережі [10].

Вентиляційні мережі відіграють важливу роль при вирішенні завдань безпеки в шахтах, де забезпечують розподіл повітря між об'єктами провітрювання.

Формальний опис мережних динамічних об'єктів складається з двох наступних основних частин:

- опису рівнянь фізичних процесів, що протікають в гілках і вузлах мережевого об'єкта;

- описис топології мережі.

Топологія мережевих об'єктів може бути представлена у вигляді графа G (m, n), де m – кількість гілок графа, n – кількість вузлів.

Мережеві об’єкти характеризуються топологією зв’язків між гілками та вузлами, розташуванням активних елементів в мережі та фізичними процесами динаміки потоків в гілках та вузлах. Топологічний опис дає чітке однозначне уявлення про структуру динамічної системи.

Математичний опис мережних динамічних об'єктів зводиться до складання системи рівнянь.

Приклад графу мережевого динамічного об’єкту, вентиляційна мережа, наведено на рисунку 5.1.

Система рівнянь для j-ї гілки, що не має витоків повітря, динаміка витрат і тиску [10]:

де Pj, Qj – тиск і витрата повітря уздовж координати х, відлічуваний від початкового Aп до кінцевого Eк вузлів;

rj – питомий аеродинамічний опір;

Fj – площа поперечного перерізу гілки;

p – щільність повітря;

a – швидкість поширення звуку в повітрі;

х – координата.

Граничні умови для системи рівнянь (1) – це функції тиску в початковому Рп і кінцевому Pк вузлах гілки.

6. Етапи розробки та застосування паралельних симуляторів

Доцільно виділити наступні етапи розробки та застосування паралельних симуляторів [9]:

- Підходи до розпаралелювання МДО, визначення мінімальної грануляції MIMD – процесів .

- Віртуальна модель МДО.

- Вибір чисельних методів, генерування дискретних віртуальних паралельних симмоделей (ВПСМ) за допомогою системи діалогу (ПД).

- Розробка паралельних алгоритмів вирішення. Розпаралелення процедур чисельних методів.

- Вибір цільової архітектури (ЦА), аналіз можливостей наявних ресурсів (архітектура, кількість вузлів, програмні моделі, моделі комутації, наявне системне та моделююче програмне забезпечення, мови програмування та бібліотеки).

- Апріорний аналіз віртуального паралельного середовища, інтеграція відповідної функціональності в інтерфейс користувача для машинної підтримки аналізу за наступними критеріями:балансування завантаження віртуальних процесів; зменшення витрат на міжпроцесний обмін.

- Внесення змін до ВПСМ за урахуванням: результатів апріорного аналізу; різних підходів до розпаралелювання та групування процесів для конкретної ЦА; організація обміну даними в віртуальній мережі ЦА.

- Готова ВПСМ.

- Паралельна реалізація ВПСМ для ЦА.

- Підготовка та планування симуляційних тестових експериментів (СТЕ). Візуалізація результатів.

- Етапи відлагодження паралельних вирішувачів та симуляторів за допомогою СТЕ. Візуалізація результатів, аналіз ефективності, внесення змін.

- Виконання досліджень в предметній області за допомогою розроблених моделей.

- Аналіз ефективності підходів до візуалізації та девіртуалізаціїї.

Мають місце наступні рівні розпаралелювання, та мінімальні гранулярності MIMD – процесів:

- Перший рівень : рівняння – процес.

- Другий рівень: елемент гілки – процес.

- Третій рівень: гілка – процес.

- Четвертий рівень: підграф – процес.

На рисунку 6.1 наведено рівні розпаралелювання для графу вентиляційної мережі, яка узята спрощеною для прикладу.

При написанні даного афтореферата магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 р. Повний текст роботи та матеріали   по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

1. Аксак Н.Г. Паралельні та розподілені обчислення : підруч. / Н.Г. Аксак, О.Г. Руденко, А.М. Гуржій – X. :Компанія СМІТ, 2009. – 480 с.
2. Бройнль Т. Паралельне програмування (переклад з німецької мови В.А. Святного), Київ: ВШ, 1997, 358с.
3. Святний В.А. Проблеми паралельного моделювання складних динамічних систем. Наукові праці ДонДТУ, Серія «ІКОТ», вип. 6, 1999.
4. Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем / Моделирование -– 2006: Международная конференция. Киев, 2006 г. – Киев, 2006. – С. 83–90.
5. Святний В.А., Молдованова О.В., Чут А.М.: Стан та перспективи розробок паралельних моделюючих середовищ для складних динамічних систем з розподіленими та зосередженими параметрами.
6. Svjatnyj V.A., Nadeev D.V., Solonin O.M., Rothermel K., Zeitz M.: Subsysteme einer verteilten parallelen Simulationsumgebung fur dynamische Systeme. 16. Symposium ASIM 2002, Tagungsband, 2002
7. Forschungsgebiet: parallele Simulationstechnik [Електронний ресурс] / L. P. Feldmann, V.A. Svjatnyj, M. Resch, M. Zeitz — Електрон. дані — Режим доступу: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/Pm/2008/08flpfps.pdf, вільний.
8. Svjatnyj V., Moldovanova O., Smagin A., Resch M., Keller R., Rabenseifner R.: Virtuelle Simulationsmodelle und ein Devirtualisierungsvorgang fur die Entwicklung der parallelen Simulatoren von komplexen dynamischen Systemen. In: DonNTU, FRTI-Werke, Reihe “Probleme der Modellierung und rechnergestutzten Projektierung von dynamischen Systemen”, Band 5(116). – Donezk, 2006.
9. Молдованова О.В. Магістерська дисертація, ДонДТУ, Донецьк, 2000.
10. Гусєва Г.Б. MIMD-паралельний вирішувач рівнянь для мережного динамічного об’єкту з розподіленими параметрами / Г.Б.Гусєва, О.В.Молдованова. / Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем: Сб. научн. тр. ДонНТУ, вып.6, Донецк, 2007.